捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)及誤差補(bǔ)償方法研究.pdf

1、傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)是為運(yùn)動(dòng)中的載體提供準(zhǔn)確的初始基準(zhǔn)。在瞬息萬變的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)已成功應(yīng)用于艦載、機(jī)載戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)武器。而在艦載機(jī)傳遞對(duì)準(zhǔn)中,由于載機(jī)指向不定,此時(shí)極有可能出現(xiàn)方位失準(zhǔn)角為大角的情況;同時(shí),海浪沖擊、載艦機(jī)動(dòng)將引起船體的撓曲變形;而機(jī)載慣導(dǎo)與艦載慣導(dǎo)之間的距離較遠(yuǎn),撓曲變形和桿臂效應(yīng)的耦合將使誤差補(bǔ)償問題變得更加復(fù)雜。針對(duì)上述情況,本文在比較和分析各類誤差模型、匹配方法、濾波算法及誤差補(bǔ)償方法的基礎(chǔ)上,對(duì)大方位失準(zhǔn)角傳遞

2、對(duì)準(zhǔn)和誤差補(bǔ)償技術(shù)展開研究。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　首先針對(duì)傳遞對(duì)準(zhǔn)的三個(gè)主要誤差源:慣性測(cè)量元件誤差、撓曲變形誤差和桿臂誤差建立相應(yīng)的誤差模型,在此基礎(chǔ)上分別推導(dǎo)了經(jīng)典傳遞對(duì)準(zhǔn)誤差模型和快速傳遞對(duì)準(zhǔn)誤差模型。從速度誤差和姿態(tài)失準(zhǔn)角的定義出發(fā),分析了兩種誤差模型中參考坐標(biāo)系之間的相互關(guān)系,通過深入研究,給出了經(jīng)典傳遞對(duì)準(zhǔn)誤差模型和快速傳遞對(duì)準(zhǔn)誤差模型的一致性條件與適用范圍,為后面的匹配方法研究和四元數(shù)傳遞對(duì)準(zhǔn)算法打下基礎(chǔ)。

3、　　匹配方法是傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的重要組成部分,本文深入研究速度匹配和姿態(tài)匹配。速度匹配不受到慣導(dǎo)類型的影響,且具備較為突出的綜合性能。針對(duì)速度匹配的可觀測(cè)性問題,在分析研究速度匹配量測(cè)與狀態(tài)變量之間關(guān)系的基礎(chǔ)上,提出一種更為直觀的可觀測(cè)性解析方法,并通過推導(dǎo)勻速直線運(yùn)動(dòng)下各狀態(tài)與量測(cè)多階微分的關(guān)系式驗(yàn)證了該方法的有效性。當(dāng)主、子慣導(dǎo)都為捷聯(lián)慣導(dǎo)時(shí),姿態(tài)匹配成為一個(gè)重要的選擇。針對(duì)姿態(tài)匹配量測(cè)與速度誤差耦合較弱的問題,從量測(cè)量的獲取和算法復(fù)雜

4、度出發(fā),深入研究了姿態(tài)角匹配、姿態(tài)矩陣匹配和量測(cè)失準(zhǔn)角匹配。在不同機(jī)動(dòng)條件下對(duì)速度匹配和速度+姿態(tài)匹配進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
　　深入研究大失準(zhǔn)角傳遞對(duì)準(zhǔn)中的非線性濾波算法。針對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)維數(shù)較高的問題,在比較分析兩種單形采樣策略的基礎(chǔ)上選取超球體采樣策略,降低了sigma點(diǎn)數(shù)量,提高算法實(shí)時(shí)性。同時(shí)為提高非線性濾波算法的計(jì)算穩(wěn)定性,結(jié)合平方根UKF濾波算法,提出了超球體采樣SRUKF對(duì)大失準(zhǔn)角傳遞對(duì)準(zhǔn)下的非線性系統(tǒng)進(jìn)行估計(jì)。并通過艦載機(jī)

5、大方位失準(zhǔn)角傳遞對(duì)準(zhǔn)仿真分析驗(yàn)證所提算法的有效性。
　　針對(duì)歐拉角法在大失準(zhǔn)角傳遞對(duì)準(zhǔn)問題中存在的奇異性、運(yùn)算繁瑣等問題,引入非奇異、精度高和計(jì)算簡(jiǎn)單的姿態(tài)四元數(shù)法。在定義姿態(tài)誤差四元數(shù)的基礎(chǔ)上,首先推導(dǎo)得到四元數(shù)經(jīng)典傳遞對(duì)準(zhǔn)誤差模型和四元數(shù)快速傳遞對(duì)準(zhǔn)誤差模型。與“速度+姿態(tài)”匹配相對(duì)應(yīng),深入研究四元數(shù)量測(cè)失準(zhǔn)角匹配并給出量測(cè)方程。在該匹配方法中,量測(cè)量由主、子慣導(dǎo)的即時(shí)修正四元數(shù)相乘得到。得到四元數(shù)非線性誤差模型的基礎(chǔ)上,對(duì)四

6、元數(shù)傳遞對(duì)準(zhǔn)UKF算法進(jìn)行研究。其中,針對(duì)四元數(shù)UKF中的四元數(shù)協(xié)方差陣奇異問題,利用誤差四元數(shù)中非冗余的狀態(tài)誤差矢量作協(xié)方差陣運(yùn)算,并根據(jù)UT變換作適當(dāng)改進(jìn)。同時(shí),針對(duì)四元數(shù)加權(quán)均值的規(guī)范性問題,利用姿態(tài)參數(shù)切換和特征值向量求解的方法進(jìn)行解決。后者在構(gòu)造四元數(shù)代價(jià)函數(shù)的基礎(chǔ)上,通過特征向量求解獲得MMSE下的四元數(shù)加權(quán)均值,避免了姿態(tài)參數(shù)切換引起的實(shí)時(shí)性和數(shù)值穩(wěn)定性下降問題。最后針對(duì)擴(kuò)維濾波中采樣點(diǎn)數(shù)量增加和高階誤差方差陣的平方根運(yùn)算

7、問題,引入超球體采樣和平方根濾波思想,提出了四元數(shù)SSRUKF濾波。大方位失準(zhǔn)角下的仿真實(shí)驗(yàn)證明了四元數(shù)傳遞對(duì)準(zhǔn)算法的有效性。
　　針對(duì)撓曲變形噪聲補(bǔ)償法中噪聲方差難以確定的問題,深入研究描述撓曲變形的Markov過程的統(tǒng)計(jì)特性,并給出計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上對(duì)撓曲變形角與桿臂效應(yīng)的耦合問題進(jìn)行定量分析,并將其統(tǒng)一等價(jià)為噪聲補(bǔ)償問題。針對(duì)噪聲補(bǔ)償法無法實(shí)時(shí)跟蹤外界變化的問題,引入極大似然法及強(qiáng)跟蹤濾波算法。其中,Sage-Husa自適